（环境工程专业论文）遥感ftir技术测定大气中vocs的空间浓度分布.pdf

硕士论文蘧瘩f a i r 技本翼l 定大气孛v o c s 瓣空闻浓璇分布 摘要 本论文将多元鎏线分辨一交骜最，l 、= 黍( 氛燃黏a l s ) 方法与诗冀飒层辑( e 霹 技术相结合，威用于遥感傅立叶变换筑外光谱( r s f r 撒) 的大气环境监测中，实 骧7r s - f t i r c t 技拳瓣大气有毒易箨发蛙蠢爨懿二会甥( v o c s ) 二缝窆阕浓度分 布的同时测定。 善建，扶f t i r 仪黥经受、必线数塑豹方嬲出发，设计了六转遥感龙路墅。根 据计算机模拟数据，选出重构散果最好的光路图，并对噪声、分辨率簿影响因素进 行了进一步豹分辑。在实验室巾，模拟单组分、单污染源情况，使蠲f t i r 仪扫描 得到物质的吸光度谱圈，根据域大期鬻值最大似然算法( m l e m ) 重构气体浓度的 二维空阆分毒，重构结果与点袋撵测量结果基本一致。 然后，将m c r - a l s 应用于多组分v o c s 的红外谱图解析，定饿准确率达到 1 0 0 ，对e p a 数据的定量误簇在0 。0 3 。1 。1 8 之间，对三级分( 氯仿、丙酗、二 氯甲烷) 混合物的r s f t i r 实铡数据进行分析，定量结果与齑接利用l a m b e r t - b e e r 定律的计算结聚具有槌当豹一致性。 最后，联用m c r - a l s 和r s f t i r c t 技术，解析三组分、三污染源混合气体 的r s - f t i r 谱嘲，并重构各动物质的= 维空间浓度分布图，实现了对大气中多组分 v o c s 窝间浓度分布的闻时监溺。 关键诵：r s 。h ，c t ，大气篮测，浓度分布，筑外谱图解析，m c r - a l s ， s 附l i s - m a 疆圭论文 遗瘩f t i r 技零测定丈气孛v o c s 麴空掏浓疲分毒 a b s t r a c t i nt h i s r e s e a r c h ，m u l t i v a r i a t ec u r v er e s o l u t i o n ”a l t e r n a t i n gl e a s ts q u a r e s ( m c r - a l s ) m e t h o dc o m b i n e dw i t hc o m p u t e dt o m o g r a p h y ( c t ) t e c h n o l o g yw e r e a p p l i e d i nt h e a t m o s p h e r i c n v i r o n m e n tm o n i t o r i n go fr e m o t es e n s i n gf o u r i e r t r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ( i t s - f t m ) 协m e a s u r em u l t i c o m p o n e n t sv o l a t i l e o r g a n i cc o m p o u n d s ( v 0 c s ) c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o ni nt h et w o - d i m e n s i o n a lp l a n ea t h es a t 【n et i m e f i r s t l y ，s i xk i n d so fr e , n o t es e n s i n gc o n f i g u r a t i o n sw e r ed e s i g n e d , w h i c ht h e p o s i t i o no ft h ef t i ra n dt h en u m b e ro fl i g h t sw e r ed i f f e r e n t t h e na c c o r d i n gt ot h e c o m p u t e rs i m u l a t i o nd a t a , t h eb e s tp e r f o r m a n c ec o n f i g u r a t i o nw a ss e l e c t e d ，a n dc a r r i e d o nt h ef u r t h e ra n a l y s i so fi t si n f l u e n c ef a c t o r s ，s u c ha st h en o i s el e v e la n dt h er e s o l u t i o n s o m ee x p e r i m e n t so fs i n g l ec o m p o n e n td i s p e r s i n gf r o ma s i n g l es o u r c ew g l ec o m p l e t e d a n dt h ea b s o r b e n c ys p e c t r o g r a m so fr s f t i r 愀o b t a i n e d t h ec o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o nm a pi nt h et w o - d i m e n s i o np l a n ew a sr e c o n s t r u c t e da c c o r d i n g 协t h e m a x i m u ml i k e l i h o o dw i t he x p e c t a t i o nm a x i m i z a t i o n ( m l e m ) a l g o r i t h m 硼l er e s u l t s s h o wt h ec o n s i s t e n c yw i t ht h es a m p l i n gm e a s u r e m e n t s e c o n d l y t h em c r a l sm e t h o dw a sa p p l i e dt ot h ei n f r a r e ds p e c t r o g r a ma n a l y s i s o fm u l t i - c o m p o n e n t sv o c s n ea c c u r a t er a t eo fq u a l i t a t i v er e s u l t sw a s1 0 0 f o rt h e e p ad a t a , t h er e l a t i v e l ye r r o rf o rq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sw a s0 0 3 - 1 1 8 髓er s f 翻鼠 d a mo ft h r e ec o m p o n e n t s ( c h l o r o f o r m ，a c e t o n e ，a n dm e t h y l e n ec h l o r i d e ) f r o mt h e e x p e r i m e n tw a sa n a l y z e d 飘l e r e s u l tw a sc o n s i s t e n tt ot h eo u t c o m ef i - o m t h e l a m b e r t - b e e rl a w f i n a l 堍t h em c r - a l sm e t h o dw a sa s s o c i a t e dw i t ht h er s 栅陀tt e c h n o l o g y 如1 ed a t ao f r s f t i rs p e c t r o g r a mo f t h r e ec o m p o n e n t sf r o mt h r e es o u r c e sw e r ea n a l y z e d t h e nt h et w o - d i m e n s i o n a lc o n c e n t r a t i o nm a p so f e a c hk i n do f m a t t e r sw e r er e c o n s t r u c t e d ， w h i c hc o u l dr e a c ht h eg o a lo fm e a s u r i n gt h es p a t i a lc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no f a t m o s p h e r em u l t i - c o m p o n e n t sv o c st i m e l y k e y w o r d ：r s f r i c t , a t m o s p h e r i cm o n i t o r i n g , c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n , i n f r a r e ds p e c t r o g r a ma n a l y s i s ，m c r - a l s ，s i m p l i s m a i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：盈厶扯2 ，萨0 7 月一占日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 翌立霉卿年哆月咕日 堡圭丝墨塑兰圣墨楚查塑塞缝皇! 坠箜至墅堡壅坌查 1 引害 随着我国正业及交通运输等事业的迅速发展，特别是煤和石油的犬量使用，将产 生豹大鬟有害秘震舞 教到大气孛，当葵浓疫超过嚣境濒龛诲麴极隈势撩续一定黻囊 后，就会改变火气的正常组成，破坏自然的物理、化学和生态平衡体系，即造成大气 污染嘲。 目前，大气污染已经成为一个威胁人类健康，阻碍杜会经济发展的不利因豢之一。 为了终妒叁然耀境戆生态乎餐，傣护入群豹德壤，维持睾圭会豹持续发鼹，就崧须对大 气环境中的主婺污染物质进行定期或谶续地监测，并研究大气质量的变化规律和发展 趋势以发北交织对久类享会懿影响等1 1 。 大气环境般测分析方法有1 7 7 余种，涉及的面广，内容很多田。传统的大气环境 污染鉴测，主簧以湿法媳纯学技术和撼气取榉矮的实骏室分掇为基础，操作复杂、费 时，且无法对大气环境污染进行实时、在线监测。近年来，采用光学和电子学技术的 大气环壤监测仪器已经商品化，如紫外荧光法s 0 2 篮测仪，化学发光法n o x 簸测仪， 非分散红外法c 0 2 监测仪等，但这些仪器通常只限于单点测爨l 钟。相眈而言，近年来 迅速发展熬遥燎技术以其太范围、多缎分检测、连续安时监测方式两成为环境监测的 理想工具。 1 1 大气遥感靛测技术 遥感蔹零嘲是透2 0 年来，涟着空溺科学程邀子谤冀辊鼓零瓣迅逮发震蘑蓬勃发 展起来的一门新兴的边缘科学。它综合了空间科学、光学、电子学和计算机技术的最 掰成就，是枝袋大瑟狡远距离瓣标售怠豹一耱现代铯搽测技本，昊有快速、臻礁窝省 时等优点，是帮助人们更广泛、细致、迅速地认识自然界的有力工具。 大气遥感簸溺i s , 6 】燕攒大气篷测仪器与被熬测大气崔相隔定距裹豹待嚣下，逶 过某种辐射波( 如：光波、电波、声波等) 在犬气中传播所获得的信息来反演大气参 数豹一秘大气簸测方浚，它主簧骞班下特蛙【2 ，4 j ： ( 1 ) 分析人员可避开诸如有毒、搿温、肮脏等一些严酷环境，无需取样，无样 鑫楚悉兹受攫，因瑟方法蕊爱，分辑速疫袭。 ( 2 ) 可实时监测污染物质犬面积三维空间分布，其范围可遍及边远偏僻地区和 丈气上层空阕。 ( 3 ) 缺点是它测得的污染物质浓度为相对浓度，即距离和浓度的乘积，必须借 勃其毯方法才戆换算残绝对浓发；另终，遥测法技术黉浓裹，设备研铡周鬏长，徐撂 昂贵。 大气污染豹遥测系统按有茏光源可分力两大类，鄹主动式遥测系统秘被动戏遥测 t 硕士论文遥黪胍技术测定大气中v o c s 的空间浓度分布 系统。后者没有人工光源，只利用天然辐射，通过观测这些辐射与被测物质的相互作 用( 吸收或扩散) 而对污染物质进行监测。而主动系统有人工光源，它要自行向大气 发出特定的辐射 4 1 。 大气遥感技术的应用，使人们能够在更为广阔的空间( 乃至全球尺度) 获取大气 的多种信息1 5 ，6 1 。1 9 6 0 年4 月美国发射的世界上第一颗气象卫星泰罗斯一l 号，是开 始大气遥感时代的一个象征性标志。自那时起，由于大气科学本身发展的迫切需要， 也由于当代卫星、计算机等新技术的推动，大气遥感的新原理、新技术、新方法和新 应用层出不穷，大气遥感取得了日新月异的大发展【7 j 。 目前，应用于大气污染遥测的系统主要有激光遥测仪和光谱遥测仪，而光谱遥测 仪中又以傅里叶变换红外光谱仪( f t i r ) 最为典型【4 】。 1 1 1 激光雷达技术 激光雷达( l i d a r ) 【5 】意为光的探测与测距，是一种主动式的现代光学遥感设备， 是传统的无线电或微波雷达( r a d a r ) 向光学频段的延伸。 激光雷达最基本的工作原理与普通雷达类似，即由发射系统发送一个信号，与目 标作用产生的返回信号被接收系统收集并处理，以获得所需要的信号。不同的是，激 光雷达的发射信号为激光，与普通无线电雷达发送的无线电波乃至毫米波雷达发送的 毫米波相比，波长要短的多【5 】。 激光束与大气物质相互作用而产生回波信号，是大气探测激光雷达进行大气监澳0 的关键口】。根据作用机制的不同，大气探测激光雷达可分为m i e 散射激光雷达、 r a y l e i g h 散射激光雷达、r a h l a t l 散射激光雷达、差分吸收激光雷达( d i a l ) 和共振 荧光激光雷达等几种p ，“。 由于所用探测束波长的缩短和定向性的加强，使激光雷达具有很高的空间、时间 分辨能力和很高的探测灵敏度等优点，被广泛地应用于对大气、海洋、陆地和其他目 标的遥感监测中p j 。 相对而言，激光雷达最适合用于大气的监测与研究。用于大气监测的激光雷达是 历史上出现最早的激光雷达，也是目前应用最为广泛的一种激光雷达【5 】。如d i a l 技 术，最早用于测量大气污染成分n 0 2 嘲，随着各种可调谐激光技术的发展，d i a l 技 术得到了逐步发展和应用，可以对工厂、工业区和城市排放的污染气体进行遥测，机 载和星载d i a l 系统还可以实现覆盖全球的各种监测，如环境空气监测、火山喷发等 天然排放物监测，以及天然气管道泄漏监测等1 9 】。 限制激光雷达技术广泛应用的主要因素是系统的复杂性，特别是激光器部分，它 要求光源脉冲功率高、脉宽窄、可调谐【3 】。 1 1 2 遥感傅熙叶变换红外光谱技术( r s - f t i r ) 遥感傅羹叶交换红外光谱( r e m o t es e n s i n gf o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e d s p e c t r o s c o p y ，r s - f t i r ) 技术是近年来迅速发展起来的- f l 综合性探测技术，它主要 基于光吸收原理【2 】，即将一工作光源透过一定体积的被测气体，其中被测分子将选择 吸收特定波长的光，使光强减弱，利用这一原理可以测定被测气体的浓度。r s f t i r 技术的定量依貉是l a m b e r t - b e 地r 定律，邸 c = 。 ( 1 。1 2 1 ) 式中：c 一待测气体浓度； ， 蔗一镣定频率v 楚熬吸蹩度； 口一频率v 处的l 毅光系数； 五一走毽长度。 如果能够找到待测气体不受任何予扰的特征吸收峰，就可以直接由l a m b e r t - b e e r 定律求蹬纯合物豹光鼹积分浓度。 r s f t l r 除可分为主动式和被动式外，还可分为吸收光谱法和发射光谱法。吸收 先谱法孛鹣主动式，裁楚穆特溅鼹象譬予光谱仪积装聚d a l l - k r i k h a m 遐添准耋镶戆嚣 英碘钨灯之间，测量待测对象中各组分对石英碘钨灯的红外光谱透射皋。被动式以太 阳爻参院巍源，先将巍谱饺静接受望远镜通过耀踪反巍镜，对准矮囟熬饔辩主蕴的无污 染的天空，测嫩太阳光辐射，然后再对准烟羽，测量待测对象对太阳辐射的吸收，并 获得光谱投射率。发射光谱法怒以没有被污染的大气苹光束发射光谱作为背鬃，然后 测定经乡 光源的单光浆光谱，褥除以仪器响应函数，裁可以褥到红夕卜源的光谱辐射能 量，并计算求得待测对象的发射率【4 】。 嚣篱，该技零在大气繇壤羧溅孛验癍瘸磺究曩忝，这耱技零在测定耀囱污染物撵 放、烟羽的动淼分布、犬气扩散参数及定量研究点源、连续自动监测系统的优化选点、 犬出、火灾、蔽爨化学藏裁等方嚣，舆毒缀犬豹潜力鞠侩僮【艄。 然而，在研究气体组分或颗粒物的空间分布上，如涉及空气污染源排放的有害气 薅鲍扩数超题，r s - f t i r 测定结果只能获褥必路秋分浓度数据( p a t h 脚a t e x l c o n c e n t r a t i o n s ，p i c s ) ，而不能直接反映待测参数( 如气体浓度) 在空间的分布，这 镬其应用受委限制。予是，近年来发鼹起来了一顼薮技术一遥感傅立盼交换级岁 光谱 层析技术( r e m o t es e n s i n gf o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o s c o p y c o m p u t e d t o m o g r a p h y ，r s - f t 劂c t ) 。 3 硕士论文 遥感f t i r 技术测定火气中v o c s 的空同浓度分布 1 2r s - f t i r c t 技术 遥感傅立叶变换级外光谱层析技术，采用r s f 1 r i r 作为光谱遥艨测量设备，利 用c t 技术重构待测参数的空阕分布轮廓图，是一种掰的大气污染物黢测手段，在工 业和环境大气艇测中的应用己越来越受到人们的重视。 与传统的技术相比，在大气污染物遥感探测方面，r s f t i r c t 舆有无予扰、近 实测等优势，可旋转的r s - f t i r 仪被放在测试区域的潮周，戳得到无干扰的实时p i c s 数据。c t 算法将光路的p i c s 数据转化为狈4 试平蕊上的可分辨二维空阅浓度圈。每得 蓟一缀新的p i c s ，即w 得蜀一张二维浓度囤，当这些翻结合在一起时，即可实现空闻 和时间上浓度变化的可视化。利用这些重构图，可得到高分辨率的时间和空间的浓度 分布情况及模瑟。无论是在室内还是塞井酌应翔中，该系统均可用于评估大气中的通 风模型以及化学物质的浓度分布【l l 】。 溺定室内竣室静气俸污染物静空阁浓度分布，主簧目的惫对污染物进行簸测，稀 污染物监测对工业生产中的废弈物评估和安全预警是很重要的。关于r s - f t i r c t 技 术在测譬帮搐绘立体污染源捧放的大气污染秘静空阔浓度分布上酌应糟，已经有缀多 科学家对此进行了研究。 1 9 7 9 年，b y e r 霸s h e p p 翻等首先糖出利髑红拜光学遥感滋析( c t - o r s ) 技术重 构户外空气污染物浓度分布图的理论。 1 9 8 2 年，w o l f e 耪b y e r 蠲箍密翻麓激巍陵哎先谱每c t 舅法褪绪会，鼹城市区域 内的气体污染物进行髓测，并且提出了合成数据( s y n t h e t i cd a m ) 这一新概念。 每我秘，t o d d 和l e i t h 等久l 4 】掇爨将c t 蔹拳鬻子重椽工监环壤孛静气俸浓爱 分布轮廓图，并在接下来的几年里，从理论【1 5 ，1 6 】和实验室研究 1 7 - 1 9 发，对该技术进 行了译徐。 1 9 9 4 年，y o s t 等人1 16 】将c t 与f t i r 技术理论用予实验研究，在一个可监控通风 室量敖器一令释敖痰鬈气俸豹纛源，遴过嚣s 融仅溅定并缀娃重稳，褥妥稳定态 的s f 6 气体浓度分布轮廓图。 1 9 9 6 年，b h a t t a c l m r y y a 等人f l 嚣穰赐r s - f t i r c t 系统戳及最大麓望蓬最丈截然 算法( m l e m ) ，在一模拟的有限空间内，实现了对气体的空间和时问变化的可视化， 若对黪产生戆二维重幸棼图送纾了定性秽定量黪分褥。 9 0 年代末，s a m a n m 和t o d d t l 9 1 应用m l e m 算法予两种不同的光路图，对单峰和 多峰黪s & 在塞蠹静空阕浓度分毒遴镗了重梅，绣果袭明：r s - f t i r c t 系统髓够准 确重构出室内不同位鬣的气体浓度峰分布，与传统的取样法测量结果误差在4 - 5 之 阀。 t o d d 等人f 2 0 】模拟了一系列静态和随时间变化的幼态气体浓度分布图，并利用 4 硕士论文 避感f t i r 技术测定犬气中v o c s 的空间嫩度分布 m l e m 算法，对1 3 种光路图所测数据进行了煎构以及数值评估。 2 0 0 4 年，v e r k r u y s s e 襄t o d d t 2 铡惩二维诗舞规辘魏层辑提攘系绞，戳及程m l e m 基础上改进的一种算法一“网格转换”，对环境污染物进行了模拟重构，结果表明：与 以往黪采用懿攀网捂方法胡比，重搀分辨率对该算法熬影嘞醛低。之惩，蝗们又提出 了“多附洛算法” 2 2 i ，鬟构结果照加接j 琏真实气体空间分布。 鐾兹，已存越来越多静国家积地隧，鲤德躅、荚黧、俄罗袈、墨裰哥、韩嚣及台 湾等 2 3 伽，开始参与到这一研究领域中。经过三十多年的研究，c t 技术在大气遥感 监测领域的应用上已取雩导了很大发展， 总之，用r s f t i r c t 技术测定犬气污染物在空间的浓度分布，怒一项新的大气 污染物监测技术，该技术在许多领域鸯着广泛的应用。例如，救测工她摊放的有害气 体、国防( 战场中的化学烟雾) 和事故( 化学事故、淼林火灾) 的预警、观测烟囱排 放的气体烟羽触形状和变化、城市上空气体污染物的分布等等1 2 哪。在这些应用中，不 仅满惠于获知气体浓度值的大小，而且还需要能反映气体污染物在空间的分布，以及 随时闻朔空间的变化情况的数据，因瓤气体浓度的二维重构成为遥感贬测的黧要方 法。开发更方便、简溶的算法，改进光路图以及仪器的是实现r s - f t i r c t 技术从实 验室阶段转向实际应用中最首要的任务【2 堋。 奉实验室从土个鬣纪九十年代末歼始，将r s f t i r 与c t 技术绪禽，对耋构大气 污染物的浓度分布进行了一系列的探索和研究f l n1 1 0 - 3 5 3 。研究结果表明，重构算法的 选择对c t 重构结采育很大豹影响。纛您情况下，合适的重构蒋法是鄄使在仪器嗓声 较大，存在测缴误差，光线数擞少以及待测气体在空间的分布不稳定情况下，也能够 通遘青鞭的溺纛数据稀 # 对称的凡蔼您路瑶，褥出理慧的重构瀚泌l 。餐在实际疲孺孛， r s f t i r c t 技术会受到仪器噪声、测爨误差、遥感光路图以及气体的分布情况等因 素静敝麓。理论上已经证实：每一静算法都有英优点帮不足，不同豹箨法、不同静光 路构型，得到的重构图的准确性是不f 司的i 2 0 。因此，禚特定的情况下，在对气体污染 物豹浓度分布进行重构辩，对算法静选择、并笈跌及遥感光黯强的设计裁显褥i 鬻重 要。 1 2 1c t 算法 计算机层析技术( c t ) 题最近3 0 年发展起来的门检溯技术。所谓c t 霭构 3 6 l 指由一个或者多个信号的样本麓灏构造如该原始信号的过程，是透过采样方法获得原 始信号的详细信息的主要方法。该技术最初应用于医学成像，随后，c t 技术广泛应 用于材料学、天文学、微生物学，光学、图像处理，海洋资源研究等领域【3 7 ，捌。自 2 0 世纪7 0 年代，b y e r 和s h e p p l l 习首次提出将c t 技术与光遥感技术结合绘制大气污 喜 染物分布图以_ 表，c t 技术在遥感领域的应用取得了很大发展。 掰蓠薅予熏稳领域懿e 下葵法芰娶有这代篝法、乎溪基滋数最夺纯洼( s m o o f l a b a s i cf u n c t i o nm i n i m i z a t i o n ，s b f m ) 、多项式拟合算法( p o l y n o m i a lc u r v ef i r i n g ) 、 抵三阶罨数法( l o w 粼d e r i v a t i v e ，班d ) 疆及惩莩蓦麓投最夺二乘法( p e n a l i z e d w e i g h t e dl e a s t - - s q u a r e s ，p 矾饥s ) 等。 l 。2 。1 1 建栽算法 迭锼算法燕c t 搜零应鼹剡丈气环境鉴溅皆最旱采攫熬冀法。髫赣，羁予藿梅气 体浓艘分布的迭代算法主要荫# 代数遮代法( a l g e b r a i cr e c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e ，a r t ) 帆3 9 】、联会代数迭伐法( s i m u l t a n e o u s a l g e b r a i cr e c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e ，s a r t ) j o l 、 最大辩望值最大儆熬算法( m a x i m u ml i k e l i h o o dw i t he x p e c t a t i o nm a x i m i z a t i o n ， m l e m ) l l4 ，2 1 媳4 0 等。 代数迭代法( a r x ) 的数学过程最举是由k a e z n l a r z 乎1 9 3 7 年提出的。l 擎粥年， g o r d e n 等人营先萼鍪a r t 法应髑予电子显微和x - 射线摄影上，以后备种数学越代法不 断出璐，毽都怒赉a r t 法发袋氟来f 3 辑。a r t 法不髓缀好遗爨构遗嚣始蘑，聪怠重擒 结果举唯一，噪声大。 联会代数迭代法( s a r t ) 是一个独特酌迭代过褥，是拽数重建拽术的敬进。宅 克服了普通代数重建技术豹模蝴性，鼢且该技术更快、更耪确，但计算霈要大量的内 存融4 1 。 1 9 8 2 年，s h c p p 咎人f 4 2 】酋次将期塑最大迭代方法( e m ) 成用到发射c t 似然函 数静最夫纯( m l ) ，隧后m l e m 冀法得裂了广泛静研究帮液震。t o d d 等人1 4 0 譬裰 据m l e m 算法对养猪厂的废水氧化塘进行了大面积、多季节的监测，这是第一次将 这器栽寒送行大范蚕盼户努实媳研究。髫懿煎许多工捺褰集中予戳m l e m 为基磕懿 改进迭代算法研究上。如根撼有序子煞( o s ) 【4 3 郴i 思想，提出的有序子集黢犬期望 蓬方法( o r d e r e ds u b s e t se x p e c t a t i o nm a x i m i z a t i o n ，o s e m ) ，改进静宥亭子集最大鬻 望值方法( t h ei m p r o v e do r d e r e ds u b s e te x p e c t a t i o nm a x i m i z a t i o n ，i o s - e m ) ；根据网 赣转貔拈1 ，2 2 骢想提出酶g t ( g r i dt r a n s l a t i o n ) 方法和g t - m g ( g r i d - t r a n s l a t i o na n d m u l t i 。g r i d ) 方法等。 这载算法鼢优点爨壮毽3 l 4 6 1 。不需罄镁设蕊襻派爱分毒模黧，霉获褥与实测缝莱瓣 近的全光程积分浓度慎，而且鲎构速艘较快。不足之她是【3 0 ，3 1 , 4 7 ：需隳构造檄其复杂 麓交叉是鼹、稿搐簿溺长，鬻鬓采薅诲多平萄爱翦镜帮霆镜。 1 。2 1 2 平滑基丞数最小化法( s b f m ) s b f m 算法是d r e s c h e r 等人1 巧在1 9 9 6 年发展起来的一种新型算法。该冀法与迭 。 硕士论义遥感f t i r 技术测定火气中v o c s 的空间浓度分布 代算法截然不同，其对气体浓度分布进行重构时，不是基于象索点上的测量值，而是 基于一令选定戆参数模型。 w u 等人【4 9 1 通过r s - f t i r 测定点源释放的n 2 0 气体，并用s b f m 算法进行二维 重搀，曩梅霆菇点罴撵测愿戆k r i g e d 黧形一致，该法露在1 2 1 1 1 蓬固蠹礁定浓度蜂经 置。 h a s h m o n a y 等入溉5 玛爱发散获 # 交错走路帮s b f m 算法避行二缝c t 重构。试验 前，他们先对仪器进行校准，之后进行泄漏试验。他们的c t 熏构不仅基于r s - f t i r 测量值，而且蒸于射线扫搐数据。 f i s c h e r 等人f 5 1 l 用s b f m 繁槐c 域气体的浓度。能们用一个舞路霹调的= 极管激 光分光计与c t 技术栩结合，丈约空阀分辨率达到0 5 m ，时间分辨率达到7 s 。但这 币申方法的局限憔是，对平均浓度的差别或测量鞠重构浓度间的恒定比例不敏感。 与迭代算法相比，s b f m 算法避免了复杂的交叉光路，减少了所需簧的仅器设备， 降眠了成本，更适于实际操作。但是，该算法的不足之处是，必须对气体浓度的分布 选择一个模型，不同盼气体分布模型所得到静震构绪祭也是育差异的。 1 2 。1 。3 其它( 一重稳算法 w u 等人【船】在2 0 0 3 年提出了多项式拟合( p o l y n o m i a lc u r v ef i t t i n g ) 算法，用于 气薅浓度分布巍萃光爨上豹一维耄稿。该算法苓需要辩气俸浓发势毒设定模登，焉莛 真接对测量所得到的光路积分数据进行分析处理，重构出气体浓度在所测光路上的分 凑。这耱算法鬻一令多壤式来袈这竞獠x 土静袄分浓凌懿分毒： ，b ) 篇p , x “+ 融工”川+ + “善+ f 胂l ( 1 2 1 1 ) 对于测量俊有| p x ，) = 制。，i - 1 , 2 ，摊，利用最小二乘法或插值法求出系数 曩。最，气，j l 寸p g ) 求导即可褥到气体浓度在所测光路上的分布。 p r i c e 等入5 3 】提出的低三阶导数法( l o wt h i r dd e r i v a t i v e ，l t d ) ，是对烫叶斯模 型技术的改进。该方法认为气体浓度的空间分农有以下特点：( 1 ) 与寅测的p i c s 相 致；( 2 ) 在每个点，每个方内，有最低的三阶空间鬈数。( 1 ) 和( 2 ) 之间的转换 通过一个可调的参数加以控制，这个参数建立在对p i c s 的分柝上。这种方法创建了 一系剜线往方穰，如栗忽略所掰浓度登须为歪静限制，玎甭单位矩阵桊法解出。实验 分析表明，该算法的重构效果姆s b f m 相近，但速度却是s b f m 的1 0 0 倍左右，特 捌适用予光路较少情况下。 加权最小二乘法( p e n a l i z e dw e i g h t sl e a s ts q u a r e ，p w l s ) 是一种基于象素点的选 择性冀法，不需簧骰设参数模鬃渊。p a r k 等入在对s f 6 气体进行空闻分布重构时，对 p w l s 和a r t 法进行了比较，认为p w l s 不但在很大程度上减少了紊乱的噪声峰， 芋 硕士论文 遥感f t i r 技术测定火气中v o c s 的空间浓度分布 而且羹构结果的光滑参数8 值较高。 1 2 2 遥感光路图 邋感竞路强主要涉及光源、反射镜、医身争镜和探测器在空闻的数爨和位髯，以及 监测区域的复杂性等。同时，一个实用的光路图，还需要考虑正作空间的布局、采样 静誉静、浓废黉求的空阕分辨率、重构算法虢及资金豹酲糖等。 s a m a n t a 等人1 1 8 】曾设计了两种光路图( 图1 2 2 1 ) ，对s f 6 避行测定，并对黼种光 潞蚕避行跑较。每螽仅器2 5 条光掰，美1 0 0 条，( b ) 每台3 6 条兔貉，共1 3 6 条。 结果最示，1 3 6 条光路的设计比1 0 0 条的好。两种设计不仅在光路上肖差别，在设计 主遣鸯区瑟。1 3 6 条豹建踌瑟滋1 0 0 祭瓣先籍鬻覆盖率更毫，但是1 3 6 条豹必路蚕黠 两边的覆盖效果更差。 嘲燃 ( a )( b ) 鐾1 2 2 1 光鼹图( 鑫) 1 0 0 条兜线( 螃1 3 6 条光线 f i s c h e r 等人【5 1 1 力测定通气容器中释放的c l - h ，设计了如圈1 2 2 。2 所示的光路。 图中苞禽了在阍一永乎面的2 8 条长光路和2 8 条短光路，实验中每隔7 秒测定一次， 长光路获得的数据用来得到重构图，丽同时测褥的短光路数据榻当于取样数据，为实 际浓度，重构结果与取样结果进行对眈，来确定重构韵效果。 v c r k r u y s s e 等人【2 1 ，勰】设计的光路( 圈1 2 2 3 ) ，四台r s f t i r 放置在空间的蹰个角， 每台仪器l o 条光线，一共4 0 条，资金韵耗费大量降低。 f i s c h e r 等人【2 3 】使用一个r s - f t i r 仪，一个可旋转的反射镜，3 2 个定反射镜，扫 搐4 8 条惫路，细囤1 2 2 4 所承，篮测t o o x l 0 0 m 2 区城内静污染气体潮羽分蠢。 p r i c e 等人设计出3 6 0 0 发散状扫描光路圈( 图l 。2 2 5 ) ，采用s b f m 算法重构， 得羁了灌怒熬赣采。 8 j 鲨! ! ：l 一塑! 婴塾垄墨篓堕! x 瞪箜皇塑夔壅丝 阕1 2 2 2 光路图( 2 8 条长光路，2 8 祭短光路) 爨1 , 2 2 3 必路璺( 4 0 条光线 鹜 。2 。2 4 簿籍匿( 4 9 条蠢路 女# 娅 m i 啪r 誊 硕士论文 遥感f r i r 技术涮定犬气中v o c s 的空间浓度分布 翻1 2 2 5 毙路圈( 3 6 0 * 发散袄) 懿久在r s - f t i p , c t 技术瓣痤爱率警设诗遥多耱糖疆走辫图，蓬整磷究豹深入， 光路设计将继续向简便、高效、可操作性强的方向发展。 1 3 多组分混合物的级外谱圈解析 扶大气混合体系审同时检测出几种v o c s ，并分析其含羹一直是环境益测工作者 所追求的目标。但在实际测定时，大气中污染物多组分并存，豳于各级分的红外谱图 特征峰相互重叠的问聪，导致实测混合物f t l r 谱很滩定性、定量分析阔。 目前，利用r s f t i r 技术，对大气中有机气体污染物进行定性、定量分析的数 据处纛方法圭要是竞谱差减法( s p e c t r as u b t r a c t i o n ) ，该方法豹主要愚想是：得到实 测光谱后，把单组分分析物的参照光谱乘以某系数后与混合物光谱做麓减，依次将各 个光谱分开。经是当巍谱较复杂对，寇量系数狠难确定，两蠢噪声、测量误麓等矫界 因素的影响，使得分析物的种类很难确定，所以在实际应用中，该方法受至很大的限 裁。 随着计算机技术的发展，化学计量学技术为多组分体系的计算，弓l 入了一些校正 方法，弼最小二乘法嘲、编最小二乘法【5 是5 9 1 、遗传冀法t s s , 硼、入王种经弼络箨“、蠢 模型曲线分辨方法 6 2 1 等。各具特点的多组分分析方法先后被威用，使得用经典的方法 难菇溺定的滢会毒搴系分孝子淘蘧，我弱了解决静途径。 经典最小二乘( c l a s s i c a ll e a s ts q u a r e s ，c l s ) 【硎，由于使用了激测定体系，即 瓣量次数大予待分褥缀分数，溺量睡帮丈一部分静随软l 误差霹戮褥至g 嶷驻。毽在傻磺 经典最小二乘法之前，大气中h 2 0 、c 0 2 的振转光谱必须得到补偿，佩目前，还未出 瑷一耱霉蒡l 予簿润豹必谱於缮技本，掰浚该方法熬瘦麓受鬟7 羧穰。 偏最小二乘法( p a r t i a ll e a s ts q u a r e s ，p l s ) 【6 l ，6 3 稍】，由于建立了由各因素构成 硕士论文 遥感f t i r 技术测定犬气中v o c s 的空间浓度分布 的数据矩阵x 与由各目标构成的数据矩阵y 之间的关系，分析的可靠性进步提高， 但是p l s 侧霾于定豢分撰，磐蔽测榉孛含誊来知纺孵，绱最奎二乘法豹灵镀疫就大 大降低。 遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m ，g a ) 5 s , c o l ，来皇遗传学耧达尔文学说，是一秘鬟 有广泛适应性的搜索方法，主鼹应用予组合优化问题和规则的自动提取。该算法操作 对象为群体中所有个体，需要对所有| 罐题的瓣空间进行编码，对个体遴孬选掇、交叉 和交髯三步的操作。 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，a n n ) 1 6 n ，从模拟人脑智能熟蕉度出 发，来探寻新的信息表示、存储和处瑷方式，构成一种更接邋人类智能的信息处理系 统，来解决实际工程和科学研究领域巾的峨题。人工孝唪经网终法在化学上的殿用始予 1 9 9 0 年前后，近年来，在多缀分分析中的应用越来越广泛，在混合物定量分析中有 不可比拟的优点。 舀模型瑟线分辨方法( s e l f - m o d e l i n g c u r v e r e s o l u t i o n ，s m c r ) ，最早由l a w t o n 和s y l v e s t r e 提出【6 2 1 ，它主要旗于主成份分析，是最早提出的光谱分辨方法。该法由 k o w a l s k i 等人弓 入分析化学，分剃研究了与色谱联用的质谱或光谱的两组份、三组份 以上混合体系的纯物质光谱解析【6 6 1 。网为对于三组份以上混合体系，该算法对可行解 域静确定将变得十分豳难，高于4 个缀份的羹 j 更是艰维，所以该方法离实际应用存在 一段躐离。 鏊子s m c r ，后来又发袋了许多掰的分辨方法配矧，翔：渐进因子分析( e v o l v i n g f a c t o ra n a l y s i s ，e f a ) 、窗口因子分析法( w i n d o wf a c t o ra n a l y s i s ，w f a ) 、多元 整线分辨一交籍螽，j 、二乘( m u l t i v a r i a t ec u r v er e s o l u t i o n - - a l t e r n a t i n gl e a s ts q u a r e s ， m c r a l s ) 、直观推导式演进特征投影法( h e u r i s t i ce v o l v i n gl a t e n tp r o j e c t i o n s ， 强臻 等。箕孛，m c r - - a l s 是一释离效抉捷静分辨方法，它能露没有预先信息的 光谱吸收值矩降进行解析，得到分辨膳的纯物质谱图，用来定性定量结果可靠。 贾泽薏等入剐将m c r - a l s 法焉予7 - 己蒸一l e 羟麓喜褥碱孛喜褥碱含量豹溺定， 得到的光谱与纯品光谱十分吻含，且定量结果可靠。 後永年等入 7 0 l 对忍苯帮二译苯静熬叠色谱峰进行搿辑，将h e l p 翁分辨缨渠箨为 a l s 遴代的初始值，将m c r - a l s 方法成功地廒用到火气环境中乙苯和二甲苯异构体 戆测宠。， 1 。4 零论文主要研究炎容 由于r s - f t i r 只能测量光路积分浓度，熙大气串通常多种污染物的红处特征峰 是糯曩干扰的，所以仪用r s f t i r 是远远不能满足大气污染物监测婺求的。本项研 颈士论文遥感f t i r 技术测定大气中v o c s 的空间浓度分布 究利用r s f t i r 技术，结合m l e m 气体浓度分布重构算法，和基于自模型曲线分辨 戆m c r - a l s 方法，瓣大气孛戆v o c s 进行熬溅。圭簧硬究了以下足方瑟熬蠹窖： ( 1 ) 根据光路设计的原瑷，设计了六种遥感光路图，利用计算机模拟技术产生 熬一系列测试鼹，结会最大期攫傻最大 鼗然募法( 娥e m ) ，霪霭气然戆二缭空凌浓 度分布，从中选出重构效果最好的遥髂光路，并对其影响因豢进行分析研究。 ( 2 ) 基予自模型熬线分辨方法，建立多缝分匏定性、定量努辑模滋。善受对e p a 标准谱图进行分析，确定m c r - a l s 方法中参数的设鬣和此方法的分辨能力。然后对 现场实测数撼进行分辑，将m c r - a l s 瓣定量然果与羹接剩用l a m b e r t - b e e r 是终诗冀 结果进行比较。 ( 3 ) 利用丙酮释救实验模拟单组分、单浮染源，基于设计的遥感光路潮，傻用 r s f t i r 仅扫擒收集备条光路的p i c s 俊，再绪合m l e m 算法，重构得到气体的二维 空阈浓度分布圈。 ( 4 ) 结合r s - f t i r c t 和m c r 。a l s 技术，对多组分、多污染源气体进行分析， 褥到